Phần 1 của giáo trình Định vị vệ tinh cung cấp cho học viên những nội dung về: một số vấn đề cơ sở của trắc địa vệ tinh; nguyên lý định vị vệ tinh; chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh; hệ thống định vị toàn cầu GPS;... Mời các bạn cùng tham khảo!
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH - Chủ biên: TS Bùi Ngọc Hùng Tham gia: ThS Nguyễn Thị Mai Anh GIÁO TRÌNH ĐỊNH VỊ VỆ TINH (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Quảng Ninh – 2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, thông tin vệ tinh giới có bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa người nhanh chóng tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển ngày cao lĩnh vực quân sự, kinh tế, xã hội, số quốc gia tổ chức quốc tế giới xây dựng nên hệ thống định vị dẫn đường có độ xác cao để thay cho phương pháp truyền thống như: NAVSTAR - GPS, GLONASS, INMARSAT, GALILEO… Đối với lĩnh vực đo đạc đồ, hệ thống định vị toàn cầu có vai trị hữu hiệu nhờ vào khả định vị tọa độ điểm, dẫn đường làm tăng suất lao động, giảm chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm Vì vậy, giáo trình Định vị vệ tinh cung cấp kiến thức hệ thống định vị toàn cầu sử dụng máy đo, phương pháp xử lý số liệu phổ biến Hy vọng giáo trình tài liệu bổ ích cho việc học tập, nghiên cứu sinh viên ngành Kỹ thuật Trắc địa đồ Giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Một số vấn đề sở trắc địa vệ tinh Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương Một số hệ thống định vị toàn cầu khác Chương 4: Ứng dụng GPS trắc địa Chương Xử lý số liệu đo GPS Tuy cố gắng, song chắn giáo trình cịn khiếm khuyết Nhóm tác giả mong nhận góp ý của bạn đồng nghiệp độc giả để chỉnh sửa cho giáo trình hồn thiện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ SỞ CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển nhiệm vụ trắc địa vệ tinh 1.1.1 Khái niệm Trắc địa vệ tinh 1.1.2 Lịch sử phát triển trắc địa vệ tinh 1.1.3 Nhiệm vụ trắc địa vệ tinh 1.2 Các toán nguyên lý định vị vệ tinh 1.2.1 Các toán định vị vệ tinh 1.2.2 Các nguyên lý định vị vệ tinh 11 1.3 Các hệ tọa độ 13 1.3.1 Khái niệm hệ tọa độ 13 1.3.2 Hệ tọa độ 13 1.3.3 Hệ tọa độ Trái đất 15 1.3.4 Hệ tọa độ địa diện 18 1.3.5 Hệ quy chiếu trái đất sử dụng hệ thống định vị toàn cầu 20 1.3.6 Khung tọa độ Trái đất quốc tế ITRF 21 1.4 Các hệ thống thời gian 22 1.4.1 Khái niệm chung 22 1.4.2 Các hệ thống thời gian 23 1.5 Chuyển động quỹ đạo vệ tinh 25 1.5.1 Quỹ đạo không bị nhiễu 25 1.5.2 Quỹ đạo bị nhiễu 28 1.5.3 Lịch vệ tinh 28 Chương HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 31 2.1 Cấu trúc hệ thống GPS 31 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu 31 2.1.2 Tín hiệu vệ tinh GPS 35 2.1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 36 2.1.4 Code tựa ngẫu nhiên 38 2.2 Trị đo khoảng cách giả 38 2.2.1 Đo khoảng cách giả theo tín hiệu Code tựa ngẫu nhiên 38 2.2.2 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải 40 2.2.3 Đo khoảng cách giả theo tần số Doppler 43 2.3 Định vị tuyệt đối 43 2.3.1 Khái niệm định vị GPS tuyệt đối 43 2.3.2 Bài toán định vị GPS tuyệt đối khoảng cách giả 44 2.3.3 Đánh giá độ xác định vị 46 2.4 Định vị tương đối 52 2.4.1 Khái niệm định vị tương đối 52 2.4.3 Hiệu kép hai máy thu hai vệ tinh (Sai phân bậc hai) 54 2.4.4 Hiệu bội ba hai máy thu, hai vệ tinh hai thời điểm 55 2.4.5 Các dạng định vị GPS tương đối 56 2.5 Định vị GPS vi phân 57 2.5.1 Định vị vi phân trạm đơn 57 2.5.2 Định vị vi phân diện hẹp 59 2.5.3 Định vị vi phân diện rộng 59 2.5.4 Hệ thống trạm tham chiếu làm việc liên tục (CORS) 59 2.5.5 Một số ứng dụng DGPS 63 2.6 Các nguồn sai số đo GPS 64 2.6.1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh 64 2.6.2 Sai số phụ thuộc vào lan truyền tín hiệu 66 2.6.3 Sai số phụ thuộc vào máy thu 68 2.7 Máy thu GPS 69 2.7.1 Nguyên lý cấu tạo máy thu GPS 69 2.7.2 Phân loại máy thu 72 2.7.3 Các máy thu GPS công tác trắc địa 72 2.7.4 Chọn điểm thiết kế đo GPS 75 2.7.5 Đo tĩnh xử lý số liệu đo tĩnh 79 Chương 3: MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU KHÁC 89 3.1 Hệ thống Glonass 89 3.1.1 Cấu trúc hệ thống GLONASS 89 3.1.2 Đặc điểm hệ thống GLONASS 92 3.2 Hệ thống Galileo 92 3.2.1 Cấu trúc hệ thống GALILEO 92 3.2.2 Đặc điểm tín hiệu phương pháp định vị 94 3.3 Hệ thống Compass 95 3.3.1 Đoạn không gian 96 3.3.2 Đoạn mặt đất 97 3.3.3 Đoạn sử dụng 98 Chương ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG TRẮC ĐỊA 99 4.1 Ứng dụng GPS xây dựng mạng lưới trắc địa 99 4.1.1 Khái niệm lưới GPS 101 4.1.2 Phân cấp lưới GPS 102 4.1.3 Phân loại lưới GPS 103 4.2 Đo GPS động ứng dụng trắc địa đồ 103 4.2.1 Khái quát đo động 103 4.2.2 Công tác đo ngoại nghiệp 106 4.2.3 Xử lý số liệu đo động 109 4.2.4 Ứng dụng GPS trắc địa đồ 109 4.3 Ứng dụng GPS trắc địa cơng trình 111 4.3.1 Lập mạng lưới Trắc địa công trình 111 4.3.2 Đo mạng lưới quan trắc biến dạng chuyển dịch cơng trình 113 4.3.3 Đo vẽ thành lập mặt cắt đo tính khối lượng 116 4.3.4 Chuyển thiết kế thực địa 116 4.3.5 Ứng dụng GPS nghiên cứu địa động 117 4.4 Đo cao GPS 118 4.4.1 Cơ sở lý thuyết 118 4.4.2 Xác định dị thường độ cao theo số liệu trọng lực 119 4.4.3 Xác định dị thường độ cao theo số liệu đo song trùng GPS-Thủy chuẩn 120 4.4.4 Xác định dị thường độ cao mơ hình Geoid 123 Chương XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS 126 5.1 Quy trình xử lý số liệu lưới GPS 126 5.1.1 Trút số liệu 126 5.1.2 Xử lý cạnh 127 5.1.3 Bình sai lưới GPS 133 5.1.4 Chuyển đổi hệ tọa độ 137 5.2 Phần mềm xử lý số liệu lưới GPS 145 Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ SỞ CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển nhiệm vụ trắc địa vệ tinh 1.1.1 Khái niệm Trắc địa vệ tinh Trắc địa vệ tinh môn học khoa học trắc địa, nghiên cứu việc quan sát vệ tinh phục vụ cho mục đích trắc địa Định vị vệ tinh việc xác định vị trí điểm mặt đất không gian việc quan sát vệ tinh Vệ tinh vật thể vũ trụ vệ tinh nhân tạo, chủ yếu sử dụng vệ tinh nhân tạo Trắc địa vệ tinh có phạm vi rộng lớn hơn, khơng dừng lại việc nghiên cứu Trái đất mà nghiên cứu vật thể vũ trụ Các trị đo không trị đo mặt đất mà trị đo mặt đất vệ tinh, vệ tinh vệ tinh 1.1.2 Lịch sử phát triển trắc địa vệ tinh Trắc địa khoa học cổ xưa Trái đất Từ xa xưa người Ai cập người Hy lạp biết sử dụng kết đo trắc địa vào việc phân chia vẽ đồ ruộng đất Cùng với phát triển kinh tế xã hội, phạm vi đo vẽ ngày lớn, yêu cầu độ xác đo vẽ ngày cao nên thiết bị đo, phương pháp đo phương pháp xử lý số liệu đo phải không ngừng phát triển Đến kỷ XVI lưới tam giác có lý thuyết hồn chỉnh ứng dụng châu Âu, đến đầu kỷ XX, lưới thiên văn - trắc địa mà cốt lõi lưới tam giác đo góc trở thành lưới khống chế toạ độ hầu khắp quốc gia giới Do nhiều nguyên nhân, cạnh lưới tam giác hạng cao có chiều dài trung bình 25 km Để liên kết điểm xa với khoảng cách lớn hơn, sau Đại chiến giới lần thứ II đời hệ thống Shoran Hiran độ xác đo khoảng cách thấp Trong thời kỳ để định vị biển hoang mạc người phải sử dụng chủ yếu phương pháp thiên văn Nhưng biết đo thiên văn bị hạn chế khoảng cách đo ngắm chịu ảnh hưởng lớn điều kiện thời tiết Tháng 10 năm 1957 Liên Xô (cũ) phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo (VTNT) Trái đất (Spunhic-I) mở đầu kỷ nguyên chinh phục vũ trụ mở đầu kỷ nguyên trắc địa: đời chuyên ngành khoa học Trắc địa vệ tinh (TĐVT) Lúc đầu vệ tinh (VT) đưa lên quỹ đạo đóng vai trị mục tiêu cao, dùng phương pháp quan sát mặt đất để xây dựng lưới tam giác vệ tinh Đã có lưới trắc địa vệ tinh để tính tham số hình học vật lý Trái đất phạm vi toàn cầu Các giai đoạn trắc địa vệ tinh phân chia sau: 1.1.2.1 Từ năm 1958 đến năm 1970 Phát triển phương pháp quan trắc vệ tinh, tính tốn phân tích quỹ đạo vệ tinh Trong thời kỳ này, phương pháp quang học chụp ảnh phương pháp áp dụng chủ yếu để đo hướng đến vệ tinh Kết quan sát vệ tinh xác định hệ số hàm điều hòa trọng trường Trái đất, nhờ cơng bố mơ hình Trái đất 1.1.2.2 Từ năm 1970 đến năm 1980 Đây giai đoạn thực dự án khoa học Người ta đưa kỹ thuật để quan sát vệ tinh nhận tạo, có phương pháp đo khoảng cách laser đến vệ tinh đến Mặt trăng, phương pháp đo cao từ vệ tinh Trong thời kỳ này, Mỹ xây dựng hệ thống định vị toàn cầu TRANSIT dựa nguyên lý định vị Doppler, cịn Liên Xơ có hệ thống tương tự mang tên TSIKADA Đã cơng bố số mơ hình trọng trường Trái đất nâng cao GEM 10, GRIM Độ xác quan sát vệ tinh nâng cao nhờ có xét đến tượng địa động chuyển động quay Trái đất, chuyển dịch cực Trái đất, biến dạng vỏ Trái đất Trong thời kỳ kỹ thuật quan sát Doppler áp dụng rộng rãi trắc địa 1.1.2.3 Từ năm 1980 đến năm 1990 Đây giai đoạn ứng dụng mạnh mẽ kỹ thuật vệ tinh Trắc địa cao cấp, địa động học đo đạc Trong thời gian này, phát triển trắc địa vệ tinh theo hai hướng chủ yếu sau: - Hướng thứ mở rộng ứng dụng quan trắc vệ tinh Các phương pháp đo đạc vệ tinh ứng dụng rộng rãi để thay phương pháp đo đạc truyền thống Cụ thể ứng dụng công nghệ GPS thời gian giải có hiệu nhiều nhiệm vụ khác công tác trắc địa - đồ - Hướng thứ hai sâu nghiên cứu nâng cao độ xác định vị vệ tinh Nhờ phương pháp trắc địa vệ tinh thay phương pháp thiên văn truyền thống giám sát chuyển dịch cực Trái đất chuyển động quay Trái đất Bằng quan trắc vệ tinh, người ta đo đạc xác định biến dạng vỏ Trái đất quy mơ tồn cầu 1.1.2.4 Từ năm 1990 đến năm 2000 Đây thời kỳ phát triển dịch vụ trạm thường xuyên quốc gia quốc tế Trong thời gian này, hoạt động IERS IGS dựa mạng lưới trạm quan trắc thường trực kỹ thuật đo đạc khơng gian xác VLBI, LLR, SLR, GPS cung cấp thơng số định hướng Trái đất với độ xác cao, nhờ xây dựng khung quy chiếu quốc tế (ICRF) khung quy chiếu Trái đất quốc tế (ITRF) với độ xác cao Trong thời gian này, số trạm IGS thường trực toàn cầu nên đến 300 Cũng thời gian này, nhiều quốc gia xây dựng hệ thống trạm quan sát liên tục CORS hệ thống CORS Mỹ, CACS Canada SAPOS CHLB Đức, 1.1.2.5 Từ năm 2000 trở lại Sau 40 năm phát triển trắc địa vệ tinh, từ năm 2000 kỹ thuật tiếp tục phát triển Độ xác dạng lời giải không gian, thời gian nâng cao Trắc địa vệ tinh mở rộng ứng dụng khoa học thực tiễn sang lĩnh vực Trong thời gian phải kể đến số thành tựu sau: - Đưa vệ tinh CHAMP, GRACE GOCE lên quỹ đạo phục vụ quan sát trường trọng lực Trái đất với độ phân giải cao - Tiếp tục nâng cấp hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu GNSS với vệ tinh GPS hệ thuộc khối IIR, IIF, vệ tinh GLONASS - M, GLONASS - K vệ tinh thử nghiệm hệ thống GALILEO - Nâng cao độ xác quan sát Trái đất nhờ công nghệ rada vệ tinh độ phân giải cao SAR - Xây dựng hệ thống giám sát thường trực tai biến tự nhiên quan trắc mơi trường - Phát triển tích hợp công nghệ trắc địa không gian di chuyển (TIGO) để xây dựng hệ thống giám sát địa động lực Lịch sử phát triển trắc địa vệ tinh trải qua hai thời kỳ cơng nghệ, thời kỳ sử dụng vệ tinh thụ động để giải toán định vị theo phương pháp hình học thời kỳ sử dụng vệ tinh chủ động để giải toán định vị theo phương pháp động học Ở Việt Nam, ứng dụng công nghệ GPS trắc địa năm 1990, song khai thác có hiệu cơng tác xây dựng hoàn thiện mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia Xây dựng lưới trắc địa biển, liên kết đất liền với hải đảo nằm xa đất liền Cơng nghệ GPS góp phần xây dựng sở liệu để hình thành hệ quy chiếu VN-2000 Bên cạnh ứng dụng GPS để đo đạc số mạng lưới nghiên cứu địa động khu vực đứt gẫy Sông Hồng, đứt gẫy Điện Biên - Lai Châu tham gia nước khu vực thực đo đạc nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái đất thuộc vùng Đông Nam Á 1.1.3 Nhiệm vụ trắc địa vệ tinh Từ lịch sử phát triển trắc địa vệ tinh, ta thấy nhiệm vụ trắc địa vệ tinh nhiệm vụ trắc địa cao cấp giải lý thuyết công nghệ Nhiệm vụ tổng quát trắc địa vệ tinh nghiên cứu quan hệ tương hỗ điểm bề mặt trái đất thiết bị đặt VTNT chuyển động trường trọng lực Trái đất đặc điểm trường trọng lực lý thuyết thiết bị liên quan đến trị đo từ mặt đất đến vệ tinh Nhiệm vụ diễn đạt cụ thể sau: - Xác định xác vị trí khơng gian điểm mặt đất, không gian quanh Trái đất phạm vị khu vực toàn cầu - Xác định trọng trường Trái đất yếu tố liên quan Ellipxoid trái đất, Geoid, địa hình mặt biển - Đo đạc mơ hình hóa tượng địa động 1.2 Các toán nguyên lý định vị vệ tinh 1.2.1 Các toán định vị vệ tinh Trắc địa vệ tinh môn khoa học nghiên cứu việc ứng dụng kết quan sát vệ tinh nhân tạo vệ tinh tự nhiên Trái đất vật thể vũ trụ khác để giải nhiệm vụ kỹ thuật trắc địa Để giải nhiệm vụ xác định vị trí điểm bề mặt Trái đất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta đưa hai nguyên tắc nguyên tắc hình học nguyên tắc động học Trước người ta đưa lên quỹ đạo số vệ tinh nhân tạo đóng vai trị mục tiêu di động phát sáng chiếu sáng, nhờ trạm quan sát mặt đất ghi nhận vị trí chụp ảnh vệ tinh Bằng cách người ta tiến hành xác định vị trí điểm quan sát mặt đất mà khơng cần biết vị trí xác vệ tinh Các vệ tinh gọi vệ tinh thụ động, toán xác định trường hợp giải theo nguyên tắc hình học cịn gọi tốn hình học Trong bảng 1-1 thống kê số vệ tinh thụ động Bảng 1.1 Một số vệ tinh thụ động Vệ tinh Năm sử dụng Độ cao vệ tinh (km) ECHO-1 1960 - 1968 1600 ECHO-2 1964 - 1969 1200 PAGEOS 1966 - 1972 2800 - 5600 EXPLORER-19 1963 1300 EXPLORER-39 1968 700 - 2500 STARLETTE 1975 810 - 1100 LAGEOS 1976 5900 Phương pháp tam giác vệ tinh xây dựng dựa kết quan sát đồng thời vệ tinh thụ động Các trị đo trị đo hướng, đo khoảng cách từ điểm quan sát đến vệ tinh Thông qua trị đo hướng, trị đo khoảng cách đến vệ tinh, người ta xây dựng mạng lưới tam giác không gian liên kết điểm mặt đất Sau bình sai mạng lưới khơng gian, người ta tính chuyển tọa độ cho điểm mạng, đồng thời nhận vị trí vệ tinh thời điểm quan sát Trong trường hợp vị trí vệ tinh đóng vai trò điểm ngắm phụ trợ để tạo nên mạng lưới không gian Nhược điểm tốn hình học khơng thể thực định vị tuyệt đối tức thời mà thực định vị tương đối xử lý sau Trong 10 Bảng 2.6 Một số máy thu GPS Loại máy STEP-1 Z-12 4600LS 4800 Hãng , nước Tần số chế tạo sử dụng ASHTECH L1 ASHTECH TRIMBLE TRIMBLE GEOTRACER- Geotronics 2104 Thuỵ điển SR-510 Leica AG L1, L2 L1 L1,L2 L1 L1 Thụy Sĩ SR-530 Leica AG L1,L2 Thụy Sĩ NR-101 Desault- L1 Sercel-Pháp GB-1000 Topcon L1,L2 Nhật Bản R-3 HIPER GB TRIMBLE Topcon L1 L1, L2 Nhật Bản Uno viva Leica L1 Thụy Sĩ Phương pháp đo Độ xác chiều dài D Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 10mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 10mm+1ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 20mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 10mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+1-2ppm Đo động 10mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5-10mm+2ppm Đo động 10-20mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 10mm+1ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 10mm+1ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 3mm+ 1ppm Đo động 10mm+1ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+ 1ppm Đo động 20mm+2ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 3mm+ 1ppm Đo động 10mm+1ppm Tĩnh, tĩnh nhanh 5mm+0.5ppm Đo động 10mm+0.5ppm Máy thu Hiper Gb hình 2.17 loại máy thu tần, thu nhận đồng thời tín hiệu vệ tinh GPS GLONASS Anten máy thu tháo rời có khả triệt tiêu nhiễu tín hiệu tượng đa đường dẫn Máy thu kết nối Bluetooth, có nhớ Mb, hoạt động nguồn trong, có khả 74 chống nước Máy thu Hiper có khả đo tĩnh, tĩnh nhanh đo động, với độ xác mặt 3mm+ 1ppm độ cao 10mm+1ppm 2.7.4 Chọn điểm thiết kế đo GPS 2.7.4.1 Chọn điểm GPS Định vị GPS thực vị trí máy thu đặt vị trí thuận lợi cho thu tín hiệu từ vệ tinh GPS Như phân tích chương trước, tín hiệu GPS thuộc dải sóng radio cực ngắn, dễ bị che chắn, cần bảo đảm thơng thống vệ tinh máy thu Chọn điểm đo GPS liên quan đến vấn đề thiết kế lưới GPS, số yêu cầu mật độ điểm, kết cấu hình học mạng lưới, điểm GPS cần phải bảo đảm số yêu cầu riêng mang tính đặc thù công nghệ GPS Để thiết kế lưới GPS chọn điểm phải có đồ địa hình từ tỷ lệ 1:10000 đến 1:100000 Ngồi sử dụng đồ giao thông để phục vụ cho mục đích Tất điểm đo dự kiến cần triển vị trí lên đồ với điểm gốc biết Trong mạng lưới trắc địa truyền thống sử dụng trị đo góc - cạnh, điều quan trọng chọn điểm phải bảo đảm thông hướng điểm Đối với lưới GPS yêu cầu thông hướng số cặp điểm cần thiết phát triển lưới cấp thấp phương pháp truyền thống Người chọn điểm GPS phải lưu ý đến điều kiện thơng thống lên bầu trời, có máy thu tín hiệu từ vệ tinh khơng bị cản trở Có nhiều nguồn sai số loại bỏ giảm thiểu sử dụng trị đo pha sóng tải để thực phép đo tương đối mạng lưới GPS Tuy có số nguồn sai số thường làm giảm độ xác kết đo có liên quan đến vị trí đặt máy thu GPS, sai số nguồn gây nhiễu tín hiệu, sai số đa đường dẫn vv Chúng ta xem xét số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết đo GPS, ảnh hưởng đến chất lượng mạng lưới Hiểu biết rõ ảnh hưởng vận dụng để chọn vị trí điểm đo thích hợp Trong nguồn sai số, sai số đa đường dẫn nguồn sai số chủ yếu đáng quan tâm kết định vị GPS Các tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu qua nhiều đường dẫn tượng phản xạ tín hiệu Hiện tượng đa đường 75 dẫn gây biến dạng tín hiệu điều biến C/A code, P Code ảnh hưởng đến trị đo pha sóng tải Các tín hiệu đa đường dẫn có thời gian phát từ vệ tinh, song đến máy thu bị thay đổi Code pha tượng phản xạ khác phụ thuộc vào chiều dài đường truyền tín hiệu Các tín hiệu đa đường dẫn đến máy thu chậm so với tín hiệu theo đường thẳng phải trải qua quãng đường dài hơn, đường tín hiệu phản xạ Tổng thể tín hiệu đến anten máy thu xử lý Mối quan hệ hình học vệ tinh với máy thu vật phản xạ lặp lại sau ngày sao, tượng đa đường dẫn xuất lặp lại vào ngày liên tiếp Hiện tượng lặp lại sử dụng để phát hiện tượng đa đường dẫn cách phân tích trị đo từ ngày khác Sự tác động tín hiệu đa đường dẫn đến trị đo khoảng cách giả trị đo pha sóng tải tuỳ thuộc vào yếu tố khác cường độ độ chậm trễ tín hiệu phản xạ so sánh với tín hiệu truyền thẳng, phụ thuộc vào đặc tính làm suy giảm tín hiệu phản xạ anten phụ thuộc vào tinh xảo máy thu kỹ thuật xử lý số liệu Thông thường, vật phản xạ cục thể rõ tín hiệu đa đường dẫn Nói chung, tượng đa đường dẫn tác động cách ngẫu nhiên tín hiệu tần số thấp tần số cao Các tín hiệu bị phản xạ vệ tinh (đa dường dẫn vệ tinh) vật xung quanh máy thu (đa đường dẫn máy thu) Ảnh hưởng đa đường dẫn vệ tinh, loại bỏ hiệu pha bậc trị đo cạnh ngắn Tín hiệu phản xạ thường bị suy yếu vật phản xạ Mức độ suy yếu phụ thuộc vào chất liệu vật phản xạ, phụ thuộc vào góc tới góc tán xạ Nói chung, tín hiệu phản xạ với góc tới thấp, thực tế không bị suy yếu Điều giải thích vệ tinh có góc cao thấp thường gây nhiễu đa đường dẫn có cường độ mạnh Các đỉnh tồ nhà xung quanh điểm đặt máy thu môi trường gây nên tượng đa đường dẫn đáng kể Đối với anten chuyển động phương pháp đo động, ảnh hưởng đa đường dẫn thay đổi nhanh (liên tục) thay đổi quan hệ hình học anten vật phản xạ xung quanh Một phần nhiễu đa đường dẫn bị anten từ chối tiếp nhận hình dạng anten 76 Đáng lưu ý nhiễu đa đường dẫn đến từ phía máy thu Dựa vào dạng anten sử dụng ta phải lưu ý đến bề mặt đất phía máy thu Thơng thường mặt bề mặt kim loại có dạng hình trịn hình vng Để giảm nhiễu đa đường dẫn tốt có cấu tạo dạng hình xuyến ghép lại Đó vịng kim loại nằm ngang với khoảng rộng cỡ 1,5 bước sóng tải Hình vẽ 2.18 mơ tả trường hợp tín hiệu bị phản xạ từ bề mặt tường Trong trường hợp cho cường độ tín hiệu phản xạ mạnh Bề mặt phản xạ Tín hiệu truyền thẳng Tín hiệu phản xạ Hình vẽ 2.18 Tín hiệu bị phản xạ từ bề mặt tường Các đài phát sóng gây nhiễu máy thu tín hiệu từ vệ tinh GPS Nếu máy thu đặt gần trạm phát sóng đài phát thanh, truyền hình, rađa v.v kết đo chịu ảnh hưởng nguồn tín hiệu Các đường dây điện cao áp gây ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh trước vào máy thu máy thu đặt đường dây điện cao áp Theo quy trình kỹ thuật đo GPS Trung Quốc, máy thu nên đặt xa đài phát sóng 200m xa đường tải điện cao áp 50m Nếu đặt máy thu GPS rặng tán cây, tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn, đương nhiên ảnh hưởng đến độ xác kết đo Qua phân tích trên, thấy người làm công tác chọn điểm lưới GPS phải lưu ý tới khả làm giảm chất lượng trị đo GPS nguồn sai số gây nên Tốt nên bố trí điểm đo cho góc mở lên bầu trời (dạng hình nón) khơng nhỏ 1500 1400 (hình 2.19) Khi chọn điểm cần tránh tạo thành cạnh bị che chắn đối xứng Trong trường hợp này, khả quan sát số vệ tinh khó thực bất lợi cho giai đoạn xử lý số liệu 77 1500 Máy thu GPS Hình 2.19 Góc mở điểm đo GPS Khi thiết kế chọn điểm GPS cần lưu ý tới điều sau: - Các vật cản xung quanh điểm đo có góc cao khơng 150 (hoặc 200) để tránh cản tín hiệu GPS - Khơng q gần bề mặt phản xạ cấu kiện kim loại, hàng rào, mặt nước …vv, chúng gây tượng đa đường dẫn - Không gần thiết bị điện (như trạm phát sóng, đường dây cao áp ) gây nhiễu tín hiệu Những điều nêu u cầu quan trọng nhất, ngồi cịn lưu ý bố trí điểm gần đường giao thơng để dễ lại, rút ngắn thời gian đo đạc lưới Thêm vào nên lưu ý bố trí điểm GPS vị trí có đất ổn định tránh khả nhầm lẫn mốc Điểm GPS nên bố trí nơi thơng thống lên thiên đỉnh có nơi đỗ xe cần thiết Một lưới GPS xác định hệ toạ độ nhà nước, tốt cần kết nối với điểm lưới nhà nước 2.7.4.2 Chôn mốc GPS Tùy cấp hạng lưới GPS mà có quy định kích thước cách thức chơn mốc phù hợp (hình 2.20) 78 500 400 20 12 90 600 700 150 150 700 b Dấu mốc GPS sắt a Dấu mốc GPS sứ 150 600 200 200 300 600 d Dấu mốc GPS gắn vào núi đá c Dấu mốc GPS cấp I, cấp II Hình 2.20 Một số dấu mốc GPS 2.7.5 Đo tĩnh xử lý số liệu đo tĩnh Như trình bày phần trước, định vị tương đối cho độ xác cao ứng dụng công tác trắc địa Trong định vị tương đối, phương pháp đo 79 tĩnh (static) đo tĩnh nhanh (fastatic ) cho độ xác cao nhất, phương pháp đo ứng dụng để lập mạng lưới trắc địa Trong đo tương đối tĩnh, phải có tối thiểu máy thu GPS Có thể sử dụng máy thu loại sử dụng máy thu khác loại (thậm chí máy thu hãng chế tạo khác nhau) Với máy thu khác loại người ta xử lý kết đo sau số liệu đo chuyển đổi dạng RINEX Trong đo tĩnh, cần lưu ý đến công tác: - Lập lịch đo - Thiết kế ca đo - Đo thực địa - Ghi sổ đo tổng hợp kết đo 2.7.5.1 Lập lịch đo Như ta biết hệ thống định vị tồn cầu GPS có đoạn khơng gian mà địa điểm Trái đất, vào thời gian quan sát vệ tinh Đây điều kiện tối thiểu để định vị Trong trắc địa lại cần có trị đo thừa Tùy vào cấp hạng lưới mà người ta quy định số lượng vệ tinh tối thiểu cần quan sát (thường nhiều 4) Ví dụ: Lưới Địa sở hạng có số vệ tinh tối thiểu vệ tinh Mặt khác, đồ hình vệ tinh ảnh hưởng đến độ xác định vị, đặc trưng đại lượng PDOP PDOP lớn độ xác định vị ngược lại Mỗi cấp lưới người ta quy định PDOP tối đa Ví dụ: lưới Địa sở hạng có PDOP tối đa Không phải lúc ngày có điều kiện Do vậy, lập lịch đo phải chọn xem ngày khoảng thời gian có điều kiện lưới theo yêu cầu Ta tiến hành đo vào khoảng thời gian * Các yêu cầu lập lịch đo: - Có tọa độ gần khu đo (đối với khu đo nhỏ lấy tọa độ trung bình khu đo, giá trị lấy đồ) - Có tệp lịch vệ tinh dự báo (khơng cũ q tháng) - Có phần mềm chun dụng để tính tốn lập lịch 80 - Đối với điểm bị che chắn phải có thơng tin mơ tả che chắn Kết lập lịch cho ta khoảng thời gian ngày đo * Các trường hợp lập lịch sau: - Lập lịch điều kiện thông thường, khu đo nhỏ, điểm không bị che chắn Trường hợp ta cần nhập vào tạo độ trung bình khu đo nhận kết lập lịch cho khu đo - Lập lịch điều kiện điểm đo xa Lúc tọa độ trung bình khu đo khơng cịn đặc trưng cho khu đo nữa, ta phải lập lịch cho session - Lập lịch điều kiện điểm đo bị che chắn Lúc ta phải lập lịch cho session mô tả che chắn 2.7.5.2 Thiết kế ca đo Thiết kế ca đo (session đo) khâu quan trọng để thi công lưới đạt yêu cầu kinh tế - kỹ thuật Với số lượng điểm xác định (bao gồm điểm gốc điểm cần xác định) tùy thuộc vào số lượng máy thu GPS sử dụng, tạo ca đo phù hợp Có thể thiết kế ca đo đồ sơ đồ có vị trí sơ mốc Khái niệm ca đo Ca đo khái niệm việc máy thu đồng thời thu tín hiệu vệ tinh khoảng thời gian Ca đo tạo thành hai máy thu trở lên Để phát sai số thô kết đo lưới đồng thời tăng độ tin cậy độ xác mạng lưới thơng thường có thêm ca đo dư Tốc độ ghi độ dài ca đo a Tốc độ ghi Một đặc điểm đo GPS trị đo thực tự động, đặn sau khoảng thời gian định Tất trị đo ghi lại nhớ máy thu theo thời gian hệ thống GPS Khoảng thời gian đặn gọi tốc độ ghi Khoảng thời gian người đo cài đặt lựa chọn tham số trước đo 81 Khi định vị tương đối tĩnh, tĩnh nhanh, người ta thường sử dụng tốc độ ghi khoảng 5s đến 60s Nếu đặt tốc độ ghi dầy nhớ máy thu nhanh đầy thời gian xử lý dài Ngược lại, đặt tốc độ ghi thưa nhận trị đo Trong đo tĩnh, tốc độ ghi số liệu hợp lý thường từ 15s đến 30s; tĩnh nhanh nên khoảng từ 5s đến 15s b Độ dài ca đo Độ dài ca đo khoảng thời gian máy thu ca đo thu tín hiệu khoảng thời gian chung từ bật máy đến tắt máy máy thu Độ dài ca đo phụ thuộc vào yếu tố: - Độ xác yêu cầu xác định cạnh đo, đo lâu xác ngược lại - Số lượng vệ tinh quan sát được, số vệ tinh phải đo lâu ngược lại - Chiều dài cạnh đo, cạnh dài phải đo lâu ngược lại - Máy thu tần hay tần - Tình trạng che chắn điểm đo Bảng 2.7 kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ vệ tinh trở lên điều kiện khí tượng bình thường Bảng 2.7 Độ dài ca đo theo chiều dài cạnh Chiều dài cạnh (km) Độ dài ca đo (phút) 0-1 10 - 30 1-5 30 - 60 - 10 60 - 90 10 - 20 90 - 120 Thiết kế ca đo Việc thiết kế ca đo phải thực trước đo đạc phải xác định máy thu đặt điểm nào, thời gian bật máy, tắt máy Thiết kế ca đo phụ thuộc vào yếu tố sau: - Quy định quy phạm - Đồ hình lưới - Số lượng máy thu sử dụng 82 - Khả di chuyển điểm lưới - Kết lập lịch đo Số lượng ca đo tối thiểu lưới xác định theo công thức: n= đó: s−q r−q (2.51) s tổng số điểm lưới r số máy thu sử dụng q số lần đặt máy trung bình điểm đo Nếu kí hiệu m số lần đặt máy lặp lại điểm, số lượng ca đo xác định theo công thức: n= m.s r (2.52) Nếu giá trị n tính theo cơng thức (2.51) (2.52) bị lẻ làm trịn thành số nguyên lớn Việc thiết kế ca đo theo số máy thu sử dụng tiến hành theo ca Mỗi ca liên kết r điểm, cần đảm bảo có điểm gối Cần thiết kế cho cạnh đo khác không cắt chéo Thiết kế ca đo liên tiếp từ vào Càng vào số lượng điểm gối nhiều Ví dụ: Cho lưới GPS hình 2.21, cạnh đo kết nối với theo đồ hình dạng tam giác đa giác, sử dụng máy thu GPS-02 GPS-03 GPS-04 GPS-11 GPS-09 GPS-01 GPS-10 GPS-06 GPS-08 GPS-07 Hình 2.21 Sơ đồ thiết kế ca đo 83 GPS-05 Số lượng ca đo tối thiểu mạng lưới trên: n= s − q 11 − = = 3.3 r − q −1 Vậy n = ca đo Sau thiết kế sơ đồ lưới, ta lập bảng thiết kế ca đo sau: Bảng 2.8 Bảng kết thiết kế ca đo Ca đo Máy thu Máy thu Máy thu Máy thu GPS-01 GPS-02 GPS-08 GPS-03 GPS-02 GPS-06 GPS-05 Thời gian Bật máy Tắt máy GPS-09 t1 t1' GPS-04 GPS-10 t2 t2' GPS-05 GPS-04 GPS-11 t3 t3' GPS-08 GPS-07 GPS-10 t4 t4' 2.7.5.3 Đo đạc thực địa Các yêu cầu kỹ thuật Yêu cầu kỹ thuật đo GPS cấp phải phù hợp với quy định nêu bảng 2.9 Bảng 2.9 Yêu cầu kỹ thuật đo GPS cấp Hạng mục Hạng Hạng Hạng Phương pháp đo II III IV Đo tĩnh tĩnh nhanh 15 15 Đo tĩnh tĩnh nhanh 4 Đo tĩnh tĩnh nhanh 2 Đo tĩnh tĩnh nhanh 90 Tần suất thu tín hiệu (s) Đo tĩnh tĩnh nhanh 1060 Góc cao vệ tinh (0) Số lượng vệ tinh quan trắc dùng Số lần đo lặp trung bình trạm Cấp hạng Thời gian quan trắc: Độ dài thời gian thu tín hiệu ngắn (phút) Công tác chuẩn bị Công tác chuẩn bị bao gồm nội dung sau: 84 Cấp Cấp 15 15 15 4 4 4 4 5 5 5 5 2 1.6 1.6 1.6 2 1.6 1.6 1.6 60 45 45 45 20 15 15 15 1060 1060 1060 1060 - Trước đo cần kiểm tra máy thu GPS thiết bị kèm theo (chân máy, định tâm quang học, ốc nối, thước đo độ cao anten) - Chuẩn bị nguồn điện đảm bảo máy thu đủ hoạt động - Kiểm tra nhớ máy đủ để lưu liệu - Cài đặt tham số đo phù hợp góc ngưỡng, tốc độ ghi, v.v - Chuẩn bị phương tiện liên lạc đàm điện thoại di động - Chuẩn bị phương tiện lại để di chuyển máy theo lịch đo - Chuẩn bị sổ đo, bút ghi chép, sơ đồ lưới lịch đo lập - Chuẩn bị đồng hồ bấm thời gian - Chuẩn bị số vật dụng khác áo mưa, ô, v.v Các thao tác trạm đo Đo đạc lưới GPS việc sử dụng máy thu GPS thu tín hiệu vệ tinh điểm lưới theo ca đo thiết kế Máy thu GPS thiết bị điện tử đại, tự động thu ghi số liệu Công việc người đo tương đối đơn giản, cụ thể làm công việc sau: a Lắp anten vào máy thu b Định tâm cân máy Người đo đặt chân máy lên điểm đo, dọi điểm định tâm đế máy nhờ phận định tâm quang học gắn đế máy Dựa vào bọt thủy gắn đế máy, tiến hành cân máy c Bố trí máy Sau định tâm cân đế máy đặt máy thu lên đế máy, cố định máy thu đế máy ốc nối Để khắc phục sai số lệch tâm pha anten đặt máy cần ý quay lôgo máy hướng Bắc (sai số khoảng 50) d Đo cao anten Sử dụng thước chuyên dụng đo độ cao anten Cần nắm vững phương pháp đo cao anten loại máy thu Thông thường không đo chiều cao thực máy thu (chính khoảng cách từ tâm pha anten đến tâm mốc) mà phải đo cạnh huyền (Hình 2.21), khai báo kiểu đo để phần mềm tính độ cao thực Độ cao thực anten có tác dụng chuyển trị đo (gia số tọa độ) tính từ tâm pha anten tâm mốc, cần đo xác đến mm 85 r d h l mốc Hình 2.22 Đo cao anten Thông thường đo cạnh huyền tam giác tính từ mấu đo cao mép ngồi anten đến tâm mốc, độ cao thực anten (h) tính theo cơng thức: h = l2 − r2 + d (2.53) đó: d, r yếu tố kích thước máy thu e Khởi động máy thu Bật máy thu GPS để máy thu khởi động Khi máy thu thu số vệ tinh cần thiết, bắt đầu tiến hành đo f Thực quan trắc Căn vào thời gian đo thiết kế, máy thu đồng thời tiến hành đo Hầu hết sử dụng chế độ đo tự động nên can thiệp người không cần thiết Trong trình đo, người đo cần theo dõi số lượng vệ tinh thu được, dung lượng pin, dung lượng nhớ ghi chép lại bất thường xảy Trong số trường hợp cần đạt độ xác cao, điểm đo, người ta phải quan trắc yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất v.v Cần dừng đo có giơng bão, có sấm chớp, trường hợp cần tắt máy tháo anten khỏi máy Sau khoảng thời gian đo thiết kế, người đo dừng đo Có thể dừng đo cách tắt máy thu dừng thu tín hiệu Trước thu máy tiến hành đo lại độ cao anten, ghi vào sổ đo Cuối cùng, tháo máy thu, tháo anten, thu xếp máy thiết bị kèm theo vào hòm máy, kiểm tra kỹ trước di chuyển máy sang trạm khác Đối với máy thu khơng di chuyển ca tiếp theo, tắt máy đợi máy khác di chuyển 86 Khi đo đạc cần ý máy thu phải phối hợp với để bật máy tắt máy đồng thời có khoảng thời gian chung có ý nghĩa xử lý cạnh phải bảo quản máy thu suốt trình đo Ghi sổ đo ngoại nghiệp Sau kết thúc đo trạm nên kiểm tra lại chiều cao anten lần cuối trước thu máy Các máy thu loại cũ, có thiết bị ghi cần xem lại số hiệu tệp số liệu ghi Kiểm tra lại sổ đo, đặc biệt trạm đo lặp lại cần ghi đủ tất ca đo kết thúc Thêm vào cần vẽ sơ hoạ vị trí mốc chụp ảnh mốc kiểm tra lại ghi điểm có từ trước Mẫu sổ đo GPS Tên người đo: Ngày đo: Ca đo: Tọa độ gần điểm Thuyết minh điểm Độ kinh E: Điểm Độ vĩ N: Điểm khống chế Nhà nước cấp: Độ cao (m): Điểm thủy chuẩn cấp: Thời gian bắt đầu: Thời gian kết thúc: Máy đo số: Ăngten số: Độ cao ăngten (m): Độ cao ăngten kiểm tra sau đo xong: Trung bình: Sơ đồ đo độ cao ăng ten Lược đồ điểm đo tình hình che khuất Ghi tình hình đo Điện áp pin Thu tín hiệu vệ tinh Tỷ số độ nhiễu tín hiệu SNR Các cố Ghi khác Lập bảng tổng hợp kết đo GPS 87 Sau đo, người phụ trách đội đo vào sổ đo máy thu, tiến hành lập bảng tổng hợp ca đo theo mẫu (bảng 2.10) Mẫu tổng hợp cho máy thu, làm sổ tổng hợp cho nhiều máy thu Số liệu bảng giúp cho người xử lý kiểm tra số liệu ghi chép ngoại nghiệp, tránh nhầm lẫn thực xử lý tính toán mạng lưới Bảng 2.10 Tổng hợp số liệu ghi chép ngoại nghiệp ca đo Máy thu Ca Máy thu Máy thu Máy thu Thời gian đo Điểm Cao Điểm Cao Điểm Cao Điểm Cao Bắt Kết đo anten đo anten đo anten đo anten đầu thúc 1200 GPS01 1.500 GPS02 1.864 GPS08 1.200 GPS09 1.234 8h00 9h00 1201 GPS03 1.452 GPS02 1.864 GPS04 1.345 GPS10 1.450 9h30 10h30 1202 GPS06 1.280 GPS05 1.378 GPS04 1.345 GPS11 1.300 11h00 12h00 TT đo Câu hỏi ông tập chương Tóm tắt cấu tạo hệ thống GPS? Các đoạn không gian, đoạn điều khiển đoạn sử dụng có quan hệ với nào? Trình bày phương pháp đo khoảng cách pha sóng tải? Trong trị đo pha sóng tải chứa sai số gì? Trình bày phương pháp đo khoảng cách tín hiệu code tựa ngẫu nhiên? Thế định vị GPS tuyệt đối? Nêu toán định vị GPS tuyệt đối theo khoảng cách giả? Thế định vị GPS tương đối? Trong định vị GPS tương đối có kỹ thuật đo nào? So sánh đo tĩnh đo động Quy trình thành lập lưới GPS? Nguyên lý cấu tạo máy thu GPS Nêu yêu cầu thiết kế lưới, chọn điểm, chôn mốc lưới GPS 10 Thế lập lịch đo? Để lập lịch đo cần có u cầu gì? Kết lập lịch nhận gì? 11 Thế ca đo? Việc thiết kế ca đo phụ thuộc vào yếu tố nào? 88 ... x, y, z vệ tinh thống kê bảng sau: Vệ tinh x(m) y(m) z(m) 10 56 211 0 19 864440 7746638 -1 4 510 02 10 324 415 18 05 815 3 -1 6 464374 6652039 13 3 811 61 -1 1 329637 -6 5 411 69 16 744628 3620887 - 517 116 2 19 428873... Trong bảng 1- 1 thống kê số vệ tinh thụ động Bảng 1. 1 Một số vệ tinh thụ động Vệ tinh Năm sử dụng Độ cao vệ tinh (km) ECHO -1 1960 - 19 68 16 00 ECHO-2 19 64 - 19 69 12 00 PAGEOS 19 66 - 19 72 2800 - 5600... 11 00 510 GEOS -1 1965 11 00 - 2300 29.5 GEOS-2 19 68 11 00 - 16 00 10 6 TRANSIT 19 62 11 00 90 GPS 19 78 20200 55 GLONASS 19 92 19 100 64.8 Theo tốn động học để trì hoạt động hệ thống định vị vệ tinh, mạng